Uranium-233

Uranium-233, ²³³U

Một ống chứa các mảnh rắn của hỗn hợp tetrafluoride FLiBe và Urani-233
Thông tin chung
Ký hiệu	^233U
Tên	uranium-233, 233U, U-233
Proton (Z)	92
Neutron (N)	141
Nuclide data
Chu kỳ bán rã (t1/2)	160,000 năm[1]
Khối lượng đồng vị	233.039 Da
Đồng vị mẹ	^237Pu (α) ^233Np (β^+) ^233Pa (β^−)
Sản phẩm phân rã	^229Th
Isotopes of uranium Complete table of nuclides

Uranium-233 là một đồng vị phân hạch của urani được tạo ra từ thorium-232 như một phần của chu trình nhiên liệu thorium. Uranium-233 đã được điều tra để sử dụng trong vũ khí hạt nhân và làm nhiên liệu cho lò phản ứng.^[2] Nó đã được sử dụng thành công trong các lò phản ứng hạt nhân thử nghiệm và đã được đề xuất sử dụng rộng rãi hơn làm nhiên liệu hạt nhân. Nó có chu kỳ bán rã 160.000 năm.

Uranium-233 được sản xuất bởi sự chiếu xạ neutron của thorium-232. Khi thorium-232 hấp thụ neutron, nó trở thành thorium-233, có chu kỳ bán rã chỉ 22 phút. Thorium-233 phân rã thành protactinium-233 thông qua phân rã beta. Protactinium-233 có thời gian bán hủy là 27 ngày và phân rã beta thành uranium-233; Một số thiết kế lò phản ứng muối nóng chảy được đề xuất cố gắng cô lập vật lý protactinium khỏi sự bắt giữ neutron hơn nữa trước khi phân rã beta có thể xảy ra, để duy trì nền kinh tế neutron (nếu nó bỏ lỡ cửa sổ ²³³ U, mục tiêu phân hạch tiếp theo là ²³⁵U, có nghĩa là tổng cộng 4 neutron cần thiết để kích hoạt phân hạch).

²³³ U thường phóng thích sự hấp thụ neutron, nhưng đôi khi vẫn giữ lại neutron, trở thành uranium-234. Tỷ lệ bắt giữ phân hạch của uranium-233 nhỏ hơn so với hai loại nhiên liệu phân hạch chính khác là uranium-235 và plutonium-239.

Vật liệu phân hạch

Thí nghiệm lò phản ứng muối nóng chảy

Nhà máy điện nguyên tử Shippingport

THTR-300 của Đức

Năm 1946, công chúng lần đầu tiên được biết về uranium-233 được nhân giống từ thorium là "nguồn năng lượng hạt nhân và bom nguyên tử thứ ba" (ngoài uranium-235 và plutonium-239), sau báo cáo của Liên Hợp Quốc và bài phát biểu của Glenn T. Seaborg.^[3][4]

Hoa Kỳ sản xuất, trong suốt Chiến tranh Lạnh, khoảng 2 tấn uranium-233, với các mức độ tinh khiết hóa học và đồng vị khác nhau^[2]. Chúng được sản xuất tại Khuvực Hanford và Khu vực Sông Savannah trong các lò phản ứng được thiết kế để sản xuất plutonium-239^[5].

Nhiên liệu hạt nhân

Uranium-233 đã được sử dụng làm nhiên liệu trong một số loại lò phản ứng khác nhau và được đề xuất làm nhiên liệu cho một số thiết kế mới (xem chu trình nhiên liệu thorium), tất cả đều sinh ra từ thorium. Uranium-233 có thể được nhân giống trong cả lò phản ứng nhanh hoặc lò phản ứng nhiệt, không giống như chu trình nhiên liệu dựa trên uranium-238 đòi hỏi nền kinh tế neutron vượt trội của lò phản ứng nhanh để tạo ra plutoni, nghĩa là tạo ra nhiều vật liệu phân hạch hơn mức tiêu thụ.

Chiến lược dài hạn của chương trình năng lượng hạt nhân của Ấn Độ, nơi có trữ lượng thorium đáng kể, là chuyển sang chương trình hạt nhân nhân giống uranium-233 từ nguyên liệu thorium.

Năng lượng được giải phóng

Sự phân hạch của một nguyên tử urani-233 tạo ra 197,9 MeV = 3.171 · 10 ¹¹ J (tức là 19,09 TJ / mol = 81,95 TJ / kg).^[6]

Nguồn năng lượng	Năng lượng trung bình (MeV)
Năng lượng được giải phóng tức thời
Động năng của các mảnh phân hạch	168.2
Động năng của neutron kịp thời	004.8
Năng lượng mang theo tia phóng xạ	007.7
Năng lượng từ các sản phẩm phân hạch
Năng lượng của các hạt beta	005.2
Năng lượng của các hạt phản neutrino	006.9
Năng lượng của các tia gamma thoát ra	005.0
Tổng (không bao gồm thoát khỏi neutrino)	191.0
Năng lượng được giải phóng khi những neutron kịp thời không tạo ra phân hạch được thu lại	009.1
Năng lượng chuyển thành nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân nhiệt hoạt động	200.1

Vật liệu vũ khí

Vụ nổ đầu tiên của một quả bom hạt nhân bao gồm U-233, vào ngày 15 tháng 4 năm 1955

Là một vật liệu vũ khí tiềm năng, uranium-233 tương tự như plutonium-239 so với uranium-235 về nguồn (bán tự nhiên), thời gian bán hủy và khối lượng tới hạn, mặc dù khối lượng tới hạn của nó vẫn lớn hơn khoảng 50% so với plutoni -239. Sự khác biệt chính là sự có mặt không thể tránh khỏi của uranium-232 ^[7] có thể khiến uranium-233 trở nên rất nguy hiểm khi hoạt động và khá dễ phát hiện.

Do đó, có thể sử dụng uranium-233 làm vật liệu phân hạch của vũ khí hạt nhân, đầu cơ ^[8] sang một bên, có rất ít thông tin có sẵn công khai về đồng vị này thực sự đã được vũ khí hóa:

• Hoa Kỳ đã kích nổ một thiết bị thử nghiệm trong thử nghiệm "MET" ấm trà hoạt động năm 1955, sử dụng hố hỗn hợp plutonium / U-233; thiết kế của nó dựa trên hố plutonium / U-235 từ TX-7E, một thiết kế bom hạt nhân nguyên mẫu Mark 7 được sử dụng trong cuộc thử nghiệm Chiến dịch Buster-Jangle "Easy" năm 1951. Mặc dù không phải là một sự xì hơi hoàn toàn, năng suất thực tế của 22 kiloton đã đủ thấp hơn 33 kt dự đoán rằng thông tin thu thập được có giá trị hạn chế.^[9][10]
• Các Liên Xô cho nổ đầu tiên bom hydro cùng năm, các RDS-37, trong đó có một lõi phân hạch của U-235 và U-233.^[11]
• Năm 1998, như một phần của các thử nghiệm Pokhran-II, Ấn Độ đã kích nổ một thiết bị thử nghiệm U-233 có năng suất thấp (0,2 kt) được gọi là Shakti V.^[12][13]

Các B Reactor và những người khác tại trang web Hanford tối ưu hóa cho việc sản xuất vũ khí cấp các tài liệu đã được sử dụng để sản xuất U-233^{[14][15][16][17]}.

Tạp chất U-232

Sản xuất ²³³ U (thông qua chiếu xạ thorium-232) luôn tạo ra một lượng nhỏ uranium-232 dưới dạng tạp chất, do các phản ứng ký sinh (n, 2n) trên chính uranium-233, hoặc trên protactinium-233, hoặc trên thorium- 232:

²³² Th (n, γ) ²³³ Th () ²³³ Pa (β−) ²³³ U (n, 2n) ²³² U

²³² Th (n, γ) ²³³ Th () ²³³ Pa (n, 2n) ²³² Pa (β−) ²³² U

²³² Th (n, 2n) ²³² Th () ²³¹ Pa (n, γ) ²³² Pa (β−) ²³² U

Một kênh khác liên quan đến phản ứng bắt neutron trên một lượng nhỏ thorium-230, đây là một phần rất nhỏ của thorium tự nhiên do sự phân rã của uranium-238:

²³⁰ Th (n, γ) ²³¹ Th () ²³¹ Pa (n, γ) ²³² Pa (β−) ²³² U

Các chuỗi phân rã của ²³² U nhanh chóng mang lại mạnh mẽ bức xạ gamma phát thải. Thallium-208 mạnh nhất ở mức 2,6 MeV.

²³² U (α, 68,9 năm)

²²⁸ Th (α, 1,9 năm)

²²⁴ Ra (α, 5,44 MeV, 3,6 ngày, với 0,24 MeV)

²²⁰ Rn (α, 6,29 MeV, 56 giây, với 0,54 MeV)

²¹⁶ Po (α, 0,15 giây)

²¹² Pb (β−, 10,64 h)

²¹² Bi (α, 61 m, 0,78 MeV)

²⁰⁸ Tl (, 1,8 MeV, 3 phút, với 2,6 MeV)

²⁰⁸ Pb (ổn định)

Điều này làm cho việc xử lý thủ công trong hộp găng tay chỉ che chắn ánh sáng (như thường được thực hiện bằng plutonium) quá nguy hiểm, (ngoại trừ trong một thời gian ngắn ngay sau khi tách uranium hóa học khỏi các sản phẩm phân rã của nó) và thay vào đó cần thao tác từ xa phức tạp để chế tạo nhiên liệu.

Các mối nguy hiểm là đáng kể ngay cả ở mức 5 phần triệu. Nổ vũ khí hạt nhân đòi hỏi mức U-232 dưới 50 ppm (ở trên mà U-233 được coi là "cấp thấp"; cf. "Standard vũ khí plutonium cấp độ đòi hỏi một Pu-240 nội dung không quá 6,5%.", Đó là 65000 ppm và Pu-238 tương tự được sản xuất ở mức 0,5% (5000 ppm) hoặc ít hơn). Ngoài ra, vũ khí phân hạch loại súng cần thêm mức độ thấp (phạm vi 1 ppm) của tạp chất, để giữ cho thế hệ neutron ở mức thấp.^[18][19]

Các Molten-Salt Reactor Experiment (MSRE) được sử dụng U-233, được nuôi ở lò phản ứng nước nhẹ như Trung tâm Năng lượng Point Ấn Độ, đó là khoảng 220 ppm U-232.^[20]

Thông tin thêm

Thorium, từ đó ²³³ U được nhân giống, có lượng dồi dào gấp ba đến bốn lần trong lớp vỏ trái đất so với uranium.^[21][22] Chuỗi phân rã của chính ²³³ U là một phần của chuỗi neptunium, chuỗi phân rã của ông bà của nó là ²³⁷ Np.

Sử dụng cho uranium-233 bao gồm việc sản xuất các đồng vị y tế Actinium-225 và bismuth-213, trong số các con gái của nó, các lò phản ứng hạt nhân khối lượng thấp cho các ứng dụng du hành vũ trụ, sử dụng làm chất đánh dấu đồng vị, nghiên cứu vũ khí hạt nhân và nghiên cứu nhiên liệu lò phản ứng bao gồm các chu trình nhiên liệu thorium.^[2]

Các đồng vị phóng xạ bismuth -213 là một sản phẩm phân rã của urani-233; Nó hứa hẹn sẽ điều trị một số loại ung thư, bao gồm ung thư bạch cầu tủy cấp tính và ung thư tuyến tụy, thận và các cơ quankhác.

Xem thêm

• Lò phản ứng giống
• Lò phản ứng fluoride lỏng fluoride

Tham khảo

1. http://www.doh.wa.gov/portals/1/Documents/Pubs/320-086_u233han_fs.pdf
2. ^ C. W. Forsburg and L. C. Lewis (ngày 24 tháng 9 năm 1999). “Uses For Uranium-233: What Should Be Kept for Future Needs?” (PDF). Ornl-6952. Oak Ridge National Laboratory.
3. UP (ngày 29 tháng 9 năm 1946). “Atomic Energy 'Secret' Put into Language That Public Can Understand”. Pittsburgh Press. Truy cập ngày 18 tháng 10 năm 2011.
4. UP (ngày 21 tháng 10 năm 1946). “Third Nuclear Source Bared”. The Tuscaloosa News. Truy cập ngày 18 tháng 10 năm 2011.
5. Orth, D.A. (ngày 1 tháng 6 năm 1978). “Savannah River Plant Thorium Processing Experience”. 43. Nuclear Technology: 63.
6. “Nuclear fission 4.7.1”. www.kayelaby.npl.co.uk. Truy cập ngày 21 tháng 4 năm 2018.
7. Environment and Natural Resources Policy Division., United States. Congress. Senate. (1985). “Nuclear proliferation factbook”. Committee on Governmental Affairs. Subcommittee on Energy, N. Proliferation., United States. Congress. House. Committee on Foreign Affairs. Subcommittee on International Economic Policy and Trade., United States. Congress. House. Committee on Foreign Affairs. Subcommittee on Arms Control, I. Security.: 295. Truy cập ngày 29 tháng 11 năm 2019.
8. Agrawal, Jai Prakash (2010). High Energy Materials: Propellants, Explosives and Pyrotechnics. Wiley-VCH. tr. 56–57. ISBN 978-3-527-32610-5. Truy cập ngày 19 tháng 3 năm 2012. tuyên bố ngắn gọn rằng U233 "được cho là một thành phần trong chương trình vũ khí của Ấn Độ vì sự sẵn có của Thorium rất dồi dào ở Ấn Độ", và cũng có thể ở những nơi khác.
9. “Operation Teapot”. Nuclear Weapon Archive. ngày 15 tháng 10 năm 1997. Truy cập ngày 9 tháng 12 năm 2008.
10. “Operation Buster-Jangle”. Nuclear Weapon Archive. ngày 15 tháng 10 năm 1997. Truy cập ngày 18 tháng 3 năm 2012.
11. Stephen F. Ashley. “Thorium and its role in the nuclear fuel cycle”. Truy cập ngày 16 tháng 4 năm 2014.^{[liên kết hỏng]} PDF page 8, citing: D. Holloway, "Soviet Thermonuclear Development", International Security 4:3 (1979–80) 192–197.
12. Rajat Pandit (ngày 28 tháng 8 năm 2009). “Forces gung-ho on N-arsenal”. The Times of India. Bản gốc lưu trữ ngày 21 tháng 5 năm 2013. Truy cập ngày 20 tháng 7 năm 2012.
13. “India's Nuclear Weapons Program – Operation Shakti: 1998”. ngày 30 tháng 3 năm 2001. Truy cập ngày 21 tháng 7 năm 2012.
14. “Historical use of thorium at Hanford” (PDF). hanfordchallenge.org. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 12 tháng 5 năm 2013. Truy cập ngày 21 tháng 4 năm 2018.
15. “Chronology of Important FOIA Documents: Hanford's Semi-Secret Thorium to U-233 Production Campaign” (PDF). hanfordchallenge.org. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 15 tháng 10 năm 2012. Truy cập ngày 21 tháng 4 năm 2018.
16. “Questions and Answers on Uranium-233 at Hanford” (PDF). radioactivist.org. Truy cập ngày 21 tháng 4 năm 2018.
17. 19 tháng 12 năm 2001.pdf “Hanford Radioactivity in Salmon Spawning Grounds” Kiểm tra giá trị |url= (trợ giúp) (PDF). clarku.edu. Truy cập ngày 21 tháng 4 năm 2018.^{[liên kết hỏng]}
18. Robert Alvarez "Managing the Uranium-233 Stockpile of the United States" http://scienceandglobalsecurity.org/archive/sgs21alvarez.pdf
19. Đăng ký phát minh US 4393510, "{{{title}}}", trao vào [[{{{gdate}}}]] 
20. [1] (see PDF p. 10)
21. “Abundance in Earth's Crust: periodicity”. WebElements.com. Bản gốc lưu trữ ngày 23 tháng 5 năm 2008. Truy cập ngày 12 tháng 4 năm 2014.
22. “It's Elemental — The Periodic Table of Elements”. Jefferson Lab. Lưu trữ bản gốc ngày 29 tháng 4 năm 2007. Truy cập ngày 14 tháng 4 năm 2007.

Nhẹ hơn: Uranium-232	Uranium-233 là một đồng vị của uranium	Nặng hơn: Uranium-234
Sản phẩm phân rã của: Plutonium-237 (Phân rã alpha) Neptunium-233 (Phát xạ positron) Protactinium-233 (Phân rã beta)	Chuỗi phân rã của uranium-233	Phân rã thành: Thorium-229 (α)